2018, Vol. 39
2. 四川大学 空天科学与工程学院，四川 成都 610065
2. School of Aeronautics and Astronautics, Sichuan University, Chengdu 610065, China
从公开文献看，澳大利亚国立大学的等离子体推进研究可追溯至1970年Rod Boswell在南澳大利亚Flinders大学读博期间发表的著名论文（Plasma production using a standing helicon wave），在世界上首次实现螺旋波等离子体放电[1]。螺旋波是一种频率介于离子回旋频率和电子回旋频率之间的右手圆极化电磁波，存在于径向受限的磁化等离子体中，因其可产生密度高达1020 m-3的大尺度等离子体且电离效率高，在材料表面处理、等离子体推进、空间等离子体和基础等离子体物理等领域应用广泛[2]。20世纪80年代，Rod Boswell在澳大利亚国立大学的等离子体研究实验室重新获得了密度大于1018 m-3、局部电离效率达100%的螺旋波等离子体源，并建立了空间等离子体动力与推进教研室，研究低温等离子体基础物理及其在空间等离子体和材料处理方面的应用[3, 4]。1987年，为了研究与极光和致密天体辐射相关的复杂波－粒相互作用，该教研室建成了长2.5m、内直径0.9m的大体积螺旋波等离子体实验系统WOMBAT（Waves on magnetized beams and turbu⁃ lence），用以研究等离子体环境中的混沌、湍流、波饱和等波动现象及其产生机理[5]；2014年，该装置被升级改造为WOMBAT XL（长5m），并搬至Mount Strom⁃ lo天文台，建成Mount Stromlo空间模拟设施，用于模拟等离子体推进器的太空工作环境以及测试推进器的性能参数等[6, 7]。
2003年，Christine Charles在新建成的Chi Kung装置（长0.6m、内直径0.3m）上研究空间等离子体（极光）中的双层加速机理时受启发，在国际上首次提出螺旋波双层推进器（Helicon double layer thruster，HDLT）概念作为一种全新的等离子体推进方式[8]并持续研究至今，取得了大量开创性成果。从2008年起，Trevor Lafleur将原来用于材料处理的Piglet（猪鼻子）螺旋波反应器改造为Chi Kung姊妹装置，用于研究低强度发散磁场中的螺旋波传播物理，包括离子束形成、螺旋波阻尼、等离子体控制、推力测量和模拟等与发展螺旋波等离子体推进密切相关的内容[9]。从2012年起，为借鉴应用成熟的霍尔推进器的环状等离子体位形，张运超将Piglet的圆柱螺旋波等离子体源改造为环状，继续研究等离子体膨胀与发散磁场（或收缩－发散磁场即磁喉）的相互作用，加深了对等离子体输运特性及其热力学过程的认识，为发展环状螺旋波双层推进器奠定了扎实的基础[10~13]。
2005年，基于传统的3层加速栅格，Orson Sutherland带领团队仅用4个月时间设计加工了双阶段4层栅格离子发动机（Dual stage 4 grid thruster，DS4G），并与欧洲空间局专家在荷兰的欧洲空间技术中心完成测试，获得了210km/s的离子出射速度和4倍于传统离子发动机的能量效率[14]。近年来，随着立方纳星（单位体积0.1m × 0.1m × 0.1m、质量约1kg）的快速发展，对小体积、轻质量、低成本和高效率的微型推进提出了迫切需求，Rod Boswell于2010年提出了基于电容性射频微放电的口袋火箭（Pocket rocket）概念，并对其中的等离子体膨胀、羽流特征和加热机理等物理进行了深入研究[15~20]。目前，澳大利亚国立大学的等离子体推进研究已经形成了螺旋波双层推进器、双阶段4层栅格离子发动机和口袋火箭三条技术主线，其中前两个已完成工程样机地面测试，第三个正在开展原理样机技术攻关，将进行地面模拟测试。澳大利亚国立大学等离子体推进发展历程如图 1所示。
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Fig. 1 Development history of plasma propulsion research at Australian National University |
当太阳风吹向地球时，随着距离太阳越来越远，带电粒子或等离子体的密度显著下降，根据玻尔兹曼关系式
| $ n\left( z \right)={{n}_{0}}{\rm{exp}}\left\{ \frac{e\left[{{V}_{\rm{p}}}\left( z \right)-{{V}_{\rm{p0}}} \right]}{k{{T}_{\rm{e}}}} \right\} $ |
式中n为等离子体密度，Vp为等离子体电势，k为波尔兹曼常数，Te为电子温度，e为电荷量，z为空间坐标。
等离子体密度下降导致电势差，该电势差加速高能离子轰击大气层在极地附近产生极光[21]。受其启发，Christine Charles利用螺旋波等离子体源和发散磁场在实验室条件下获得了显著的等离子体密度差和电势差，见图 2（a）和图 2（b）所示[8]。该电势差可等效为间距很短的离子层和电子层中间的电势，故名双层（Double layer，DL）。利用该电势差加速等离子体产生反向推力的系统称为螺旋波双层推进器（HDLT），由Christine Charles首先提出。HDLT的工作机理如图 2（c）所示，在螺旋波等离子体源出口附近，发散磁力线和等离子体径向扩散导致等离子体密度极速下降，根据玻尔兹曼关系式，密度降产生电势降形成双层结构；沿电势降方向双层加速离子、反向加速电子，位于双层内部的带电粒子被俘获，由于离子的质量比电子大得多，因此宏观上形成高速等离子体射流并产生反向推力[21]。图 2（d）给出了归一化的离子能量分布函数，纵轴为放电室半径rc，横轴为鉴别电压Vd，可见轴上背景热离子的电势约30V，而高能离子束的电势约50V，即加速后的离子束能量是背景离子能量的约1.7倍[21]。实际的双层空间距离非常小，在等离子体密度为1016 m-3的情况下约50个德拜长度（小于1cm），却可产生约2.5mN推力[8]。HDLT因不需要加速栅格从而避免了离子发动机中因电极烧蚀和溅射而导致的工作寿命过短问题，且结构简单不需要中和器，没有活动件。第一个HDLT原型机早在2002年就已经建造出来，之后基于Chi Kung实验结果于2005年在欧洲航天局技术中心完成了测试[21]。目前，HDLT已完成初步地面模拟测试，正进行空间飞行测试技术攻关和筹备工作。
2.2 双阶段4层栅格离子发动机
传统的离子发动机使用2~3个栅格完成从等离子体中引出离子束并加速的任务，其中首尾2个栅格的电势差决定离子束的最终能量，前2个栅格的电势差决定引射孔处鞘层的形状和可引射电流的比例。由于2个栅格可实现的离子束出射能量有限，一般采用3个栅格，分别扮演屏蔽、加速和减速角色，可增大离子束密度并降低对加速栅格的烧蚀。使用2个或3个栅格的离子发动机只有一个工作阶段，即引出和加速共同进行，随着加载电势差的增大，屏蔽栅格表面的等离子体鞘层增厚并深入放电室内部，改变了引出离子束的轨迹和下游栅格上的电势分布，进而限制了可实现的最大离子束能量约5kV。而通过加载第4个栅格将加速与引出阶段解耦，即两阶段工作模式，在不改变离子束运动轨迹的前提下利用上限5kV引出离子束，接着在引出栅格和加速栅格之间加载电势差进一步加速离子束，可避免等离子体鞘层增厚对下游栅格电势的影响，即引出阶段不影响加速阶段，目前已将离子束的出射能量提高至30kV [14]，预期可进一步提高至80kV（受控热核反应器采用该系统获得了80kV的离子加速势[23]）。其具体工作过程为：加载了一定偏置电压的屏蔽电极网将能量低于该偏执电压的离子屏蔽在放电室内，仅允许能量超过该偏置电压的离子通过；接着引出电极网将离子束从等离子体中引出，并由加速电极网对其加速，因此离子获得的动能为引出电势和加速电势之和；外部的减速电极网可以吸收电荷交换离子，进而保护加速电极网免受该离子冲击烧蚀。加速电极网还可加载负电压，以阻止电子从外部等离子体中逆流返回推进器。
该发动机的结构示意图、剖视图、实物图和地面测试图如图 3所示，其与传统栅格离子发动机的区别在于栅格系统的结构和连接栅格的供给电源。该装置采用了直径为5cm的圆柱形陶瓷放电室，通入的气体为氙气，图 3（b）剖视图中轴线上方的孔即为气体入口。4层栅格通过夹具固定在放电室中的优化排列如图 3（c）所示，电源为13.56MHz的射频电源。为深入研究该设备放电室中的等离子体特性，采用法拉第杯离子探针、热量计、朗缪尔探针（由于数据获取系统的安装限制未能用于测试腔而仅测量了放电室内部的等离子体参数）等设备测得了德拜长度、粒子平均自由程、等离子体密度、电子温度等重要参数，诊断设备的应用加快了DS4G发展。欧洲航天局的资料显示：该推进器的燃料利用率是智能1号月球探测器所用离子推进器的10倍以上，因此更适合于深空探测，但到目前为止尚未应用于实际的太空推进。
2.3 口袋火箭
口袋火箭是Rod Boswell针对微钠卫星快速发展和对微推进迫切需求的独特创造，是一种电热式射频等离子体推进器，可实现μN~mN量级的推力。与工作在低气压（小于几个Pa）、高功率条件下瞄准大体积和超声速等离子体射流的HDLT不同，口袋火箭工作在高气压下（约100~1000Pa），因其体积小且采用电容性射频放电，可在小功率条件下获得高密度的等离子体射流，且重量轻、成本低、推力小、比冲大，能以阵列的形式组合工作，特别适合配备微小卫星、长期提供动力。低气压下（小于几个Pa），该口袋火箭的推力极其微弱，工程应用意义不明显。图 4（a）是Rod Boswell设计的口袋火箭结构示意图：长18mm、直径1.5mm的圆柱形陶瓷套筒内部是电容性耦合射频放电室，瓷套外绕有5mm宽的铜电极作为放电电极和两个3mm宽的接地铝电极，瓷套连接气源和Irukandji真空仓。该真空仓长1m、内径1m，配备有泵激系统、电离真空计、对流测偏仪，能够达到0.93mPa的基准压力。气体工质通常采用氙气和氩气，因为相对于低温气体推进器来说，等离子体射流中惰性气体的存在能提供更多的动力和更高的燃料利用率。气体工质通过一个直径为4cm、长为1.6cm的充气室导入放电室，再扩散进入真空仓。其工作原理是：通过电容性耦合射频放电将气体工质电离为等离子体，再通过电荷交换碰撞和双极性扩散来加热气体工质产生射流，利用等离子体-空气射流的反作用力产生向前推力。该口袋火箭采用两种阻抗匹配系统来耦合射频电源：一种是传统的π型阻抗匹配网络，另一种是固定的陶瓷电容器和电感组装到印制电路板上。
在射频电源功率和频率分别为20W和13.56MHz条件下，图 4（b）~（e）是出射等离子体羽流的实验照片，其中图（b）对应氩气和199.5Pa、图（c）对应氩气和532Pa、图（d）对应氮气和133Pa、图（e）对应氮气和931Pa[19, 20]。每张图片右侧的光斑是由于玻璃的反射造成的，光斑外围的黑色环形区域为装置外壳。图片显示在高气压下氮气和氩气的羽流均呈一定的锥角扩散，而低气压下均为准直射光束；羽流特征与实验结果相符，但是这些特征对于产生推力的影响尚不清楚，还需要进一步研究。除此之外，澳大利亚国立大学的科研人员还利用一系列的静电、光学、动量等手段测量了该装置的径向电子密度、气体温度、羽流扩散的时空动态等特征参数，并借助CFD-ACE+等工具进行计算机仿真，验证了等离子体放电相关的气体流量、等离子体密度、等离子体电势、自给偏压等特征参数。然而有一些基本问题仍有待解决，比如射频电源与等离子体间的耦合机理，具体的时空碰撞过程尚不清楚等，或许可以用粒子模拟、纳秒下的等离子体发射光谱等方法来研究。目前正进行产品的原型机设计和集成化攻关（比如集成在一块电路板上），深入研究结构、化学、热效应等工程技术问题[24]。
3 主要装置及特征参数 3.1 WOMBATWOMBAT是Rod Boswell在澳大利亚国立大学建的第一个（除了用于复现高密度螺旋波等离子体放电的小型装置外）大体积螺旋波等离子体放电及综合测试系统，其结构如图 5所示，由两部分构成：内直径0.18m、长度0.5m的螺旋波等离子体放电室和内直径0.9m、长度2m的真空仓（真空度可达mPa），以及附属射频电源（7.2MHz，2kW）、螺旋波天线（单环）、磁场产生系统（0.02T）、抽气（分子泵和旋转式泵）和等离子体参数诊断系统（朗缪尔探针和霍尔探针）等[5]。自1987年建成至2010年前后，在螺旋波传播、等离子体扩散、混沌、湍流、漂移波、波－粒相互作用、不稳定性等基础等离子体物理方面产出了大量国际一流的研究成果，不仅培养了大批等离子体物理专业的科研工作者，亦为后续其他装置的设计建造打下了坚实基础。2010年左右，该装置被拆卸并运往堪培拉郊区的Mount stromlo天文台，升级改造为WOMBAT XL，用于电推进器的地面真空环境模拟和参数测试[6, 7]。
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Fig. 5 Schematic of the WOMBAT[22] |
图 6为改造升级后的WOMBAT XL实物图片，其内直径仍为0.9m，但长度增加至5m，从而进一步削弱了端头的反射干扰，可以更逼真地模拟太空环境。该装置可实现的温度差达250℃，因此可以模拟太空的白天和黑夜两种环境，不仅可以测试各种电推进的推力、羽流特性、稳定性和寿命，还可以模拟小卫星在太空的低温、低压和轨道机动特性，是澳大利亚第一个也是目前唯一可提供这些专业测试的设备[6, 7]。
3.3 Chi Kung
为了在实验室条件下深入研究空间等离子体中双层的形成机制和加速带电粒子的物理过程（解释极光），Christine Charles带领团队于2003年建成了Chi Kung实验装置，其结构示意图如图 7所示，包含螺旋波等离子体源和扩散腔两部分[8]。与WOMBAT中的螺旋波等离子体源相比，Chi Kung的螺旋波天线由单环状变成了马鞍形，以更好地激发m=1模式获得高密度等离子体，从而增大放电室与扩散腔之间的密度差。根据波尔兹曼关系式，当电子温度近似为常数时，等离子体的密度梯度越大所获得的电势梯度越大，即双层内电场越强、加速效果越显著。另外，根据磁冻结理论，取消了扩散腔段的电磁线圈，利用增大的磁力线发散角进一步提高等离子体密度梯度。为了研究双层的精细结构，在扩散腔内增加了参数诊断设备，比如迟滞场能量分析仪，可以测量离子和电子的定向电流，进而获得离子和电子的能量分布函数以及等离子体密度和当地的电势分布等信息，这对于研究双层的空间结构十分必要。该装置为揭示双层的加速机理和设计螺旋波双层推进器提供了大量数据和技术支撑，是澳大利亚国立大学空间等离子体动力与推进教研室最著名的实验设备。
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Fig. 7 Schematic of Chi Kung[8] |
为进一步详细研究发散磁场对等离子体扩散和形成推力的影响，澳大利亚国立大学空间等离子体动力与推进教研室设计加工了Piglet（因螺旋波等离子体源的外观像猪鼻子而取名），其实物图及三维剖面图分别如图 8（a）和图 8（b）所示。不同于WOM⁃ BAT和Chi Kung，Piglet的扩散腔外配置2段独立的电磁线圈，加上放电室周围的2段共计4段电磁线圈，通过独立供电大大增加了磁场位形的调节自由度，为详细研究发散磁场、收缩磁场和收缩－发散磁场（磁喉）对等离子体扩散特性的影响提供硬件支持[9]。近年来，通过在放电室内插入中空石英管并在石英管内安装螺旋波天线，如图 8（c）所示，该装置被用于研究环状螺旋波等离子体的产生和扩散以及相关的双层加速机理，为研制环状螺旋波双层推进器并与霍尔推进器对比奠定了坚实基础[10~13]。该装置的诊断设备非常丰富，具体如第4部分所述，且性能稳定、精度高，是该教研室目前最先进的螺旋波等离子体实验设备。上述四个装置的几何与物理参数以及设计任务如表 1所示。
4 诊断设备及典型结果
澳大利亚国立大学的空间等离子体动力与推进教研室，在为期三十多年的等离子体基础研究中积累了非常丰富的诊断知识和经验，并自主开发了多种诊断设备，包括朗缪尔探针、发射探针、B-dot磁探针、迟滞场能量分析仪、动量测量摆等，其主要测量参数、工作原理和典型结果分别如下所述。此外，该教研室还购置了光谱仪、高速相机、示波器等商业产品，构成了一套十分完备的等离子体测试诊断系统。
4.1 射频补偿朗缪尔探针朗缪尔探针的测量原理是将加载了偏置电压的金属电极伸入等离子体内部，利用空间电荷效应测量当地的伏安（或电压-电流）特性曲线，并从中提取出当地的等离子体密度、等离子体电势和电子温度等信息。比如加载了负电压的电极会排斥电子、吸引离子，从而引起局部电流；随着偏置电压的增大，局部电流逐渐增大，但由于空间电荷效应，负电极收集的离子会排斥后续离子，因此当偏置电压增大到一定程度，局部电流不再增大，达到所谓的离子饱和模式。将偏置电压从正到负降低，可获得伏安特性曲线，这是提取等离子体参数的关键。对于射频放电产生的等离子体（比如螺旋波等离子体），等离子体的电势和密度含有射频震荡成份，使得伏安特性曲线变形从而造成测量失真。通过加装滤波部件将射频震荡成份过滤掉而设计的朗缪尔探针称为射频补偿朗缪尔探针，其实物照片及电路示意图如图 9所示[9]。从图 9（a）可见探针顶端A、参考电极B、电容C、共振电感D、玻璃管E、Autocrete胶贴F和陶瓷管G；图 9（b）中信号发生器H输出的三角形波脉冲通过隔离发生器Ⅰ放大，其收集电流Ip通过100Ω检测电阻测量，该信号随后被一系列模拟微分器J微分两次，以虑除高频等离子体不稳定性并获得收集电流的二阶导数（基于该导数可进一步获得等离子体电势和电子温度等物理信息）。
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Fig. 9 Radio-frequency compensated Langmuir probe[9] |
射频补偿朗缪尔探针的典型测量结果如图 10所示[9]，其中图（a）显示了偏置电压与收集电流之间关系即伏安特性的时域二阶导数，横轴为偏置电压（Vb），该曲线通过零点时对应的偏置电压即为等离子体电势，而从该零点沿着箭头方向取自然对数便可得到电子能量几率分布函数（EEPF，electron energy probability function）；图（b）给出了两个EEPF的自然对数典型结果，其中红线是单一麦克斯韦电子种类，蓝线为两个麦克斯韦电子种类（垂直虚线表示断裂能），黑线是上述两种曲线的最佳拟合结果，其斜率即为电子温度，Ee是电子能量。
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Fig. 10 Typical measurement of radio-frequency compensated Langmuir probe[9] |
发射探针主要用来测量等离子体电势，也可诊断其中的射频震荡成份，其局部结构和电路示意图如图 11所示[9]。陶瓷管中的铜线为前端细丝提供加热电流，内置钨材料确保电路接触良好；电源C通过隔离电压器D与地隔绝，并加热前端细丝，探针上的偏置电压由可调节电源A提供，其发射/收集电流通过隔离放大器B和1kΩ检测电阻测量。具体工作过程为：发射探针的前端细丝在外部电流的加热作用下向外发射电子，调节细丝上的偏置电压，当其与当地的等离子体电势相等时才不会有电子发射或反射，此时细丝的伏安特性曲线会发生陡变，据此可获得当地的等离子体电势。亦或者利用大量发射的电子可以中和细丝表面鞘层的特性，直接将细丝信号（不加载偏置电压）接入示波器，当中和发生时示波器所显示的电压即为当地的等离子体电势[9]。这两种方法分别为拐点法和浮动电势法，其中拐点法是目前公认最有效的方法，并且很可能是目前已知的测量真空中等离子体电势的唯一方法。
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Fig. 11 Emissive probe[9] |
发射探针的典型测量结果如图 12所示，其中图（a）是利用拐点法测得的一系列细丝加热电流对应的伏安特性，内置图是曲线过零点附近的局部放大；图（b）给出了图（a）中曲线的光滑导数，其中每条曲线的顶点即为拐点，追踪这些导数的最大值，当发射电子电流为零时对应的电压即为等离子体电势（内置图）；图（c）是浮动电势Vf随加热电流Ih的变化曲线，其中等离子体电势定义为该曲线的第二个平顶部[9]。
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Fig. 12 Typical measurements of emissive probe[9] |
B-dot磁探针是利用法拉第感应定律测量电磁波的磁场分量强度和相位的设备，其实物照片如图 13所示，包括收集线圈A、Autocrete胶贴B和D、玻璃管C和陶瓷管E。通过两个相互垂直的圆环可以同时测量两个空间分量，旋转手柄可测量第三个空间分量，从而完成对波磁场的三维空间测量，它是研究等离子体中电磁波（比如螺旋波）传播特性和空间结构的最基本的设备之一，应用广泛。该装置平均相对误差在2%~7%，但当磁场强度非常低时，该值在20%~25%[9]。
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Fig. 13 Photo of B-dot probe[9] |
B-dot磁探针的实验装置布局图和典型测量结果如图 14所示，其中图（a）是测量B-dot的静电采集抑制效率的装置布局图，图（b）是静电采集信号VE与磁采集信号VB之比随信号频率的变化曲线，该探针在13.56MHz天线驱动频率条件下的抑制比约70 [9]。
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Fig. 14 Schematic of the setup used to measure electrostatic pickup rejection efficiency[9] |
迟滞场能量分析仪是测量等离子体中特定粒子（比如离子或电子）的定向电流并据此推断该粒子能量分布函数的设备，进一步还可获得等离子体的密度和电势分布。图 15给出了迟滞场能量分析仪的等效电路图，其中E为接地极、R是反射极、D是鉴别极、S是次级、C是收集极。电阻R0上的电流为次级电流IS和收集电流IC之和，该电阻上的电压随后被放大器缓冲和放大。除了第一级电极网没有支撑铜环，其他各电极网之间的距离相同。具体工作过程是：对于离子，接地极将等离子体引入，反射极加载负电压将引入等离子体中的电子排出，鉴别极加载正电压过滤掉能量低于该电压的离子，能量超出该电压的离子通过鉴别极和次级（负电压）轰击收集极产生离子电流IC，轰击产生的电子电流为IS被次极收集，利用放大器和过滤电路得到IC，通过调节鉴别极的偏置电压获得伏安特性曲线，即可从中推断出离子的能量及其分布函数。对于电子，各电极加载的电压符号相反（地极一直接地）[9]。
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Fig. 15 Electrical circuit schematic of RFEA[9] |
迟滞场能量分析仪的典型测量结果如图 16所示，其中图（a）是离子收集模式下，单一离子种类的伏安特性及其最佳拟合曲线；图（b）是图（a）对应的离子能量分布函数IEDF，显示单一离子种类及最佳高斯拟合结果，该高斯峰值对应电压即为等离子体电势；图（c）是离子收集模式下，双离子种类的伏安特性及其最佳拟合曲线；图（d）是图（c）对应的离子能量分布函数IEDF，显示两个不同的峰值及最佳高斯拟合结果，这里需要三个高斯位形叠加以获得精确拟合，其中第一个峰值对应当地的背景离子，而第二个峰值对应加速后的离子群（离子束），等离子体电势Vp和离子束电势Vb分别如图中标注[9]。
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Fig. 16 Typical measurement of the retarded field energy analyzer[9] |
高精度动量测量摆是一个灵敏度很高的测量装置，可以用来测试等离子体推进的推力等核心参数。不同流率的测量表明，该装置可以有效地测量离子束速度和等离子体密度的变化（vi = vi0 + vi1，ni = ni0 + ni1），进而可以测得所产生的动量通量的变化（vini = vi0ni0 + vi0ni1 + vi1ni0 + vi1ni1）。该系统组成和安装示意图如图 17所示，包括HDLT、动量通量测量仪和激光测试系统。具体操作过程是：利用电绝缘氧化铝细丝将直径0.15m的硅片悬挂于等离子体推进器的喷口下游，氧化铝细丝上接真空仓器壁，当HDLT工作时，再利用真空仓外的激光测量硅片的位移，进而计算出等离子体羽流的动量通量并换算成推力。该装置的测力范围是0.02~0.5mN，分辨率即测量精度达15μN，测量结果与基于等离子体参数的理论计算结果一致。进一步提高分辨率受限于光探测器的分辨率、束斑的大小以及测量摆的质量，真空泵和冷却扇等实验辅助设备的震动也会限制分辨率但研究表明该震动的影响有限[25]。
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Fig. 17 Schematic of the vacuum chamber from the side with the HDLT prototype, momentum flux measuring instrument, and laser measurement system installed [25] |
高精度动量测量摆的典型测量结果如图 18所示，即等离子体作用力Fp随流速的变化，其中“ □”是利用高精度动量摆的测量结果，“△”是利用诊断探针所测信息并通过理论分析得到的理论结果（实线连接仅为清晰显示数据）[25]。
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Fig. 18 Measured force with MFMI and calculated force based on diagnosed parameters as a function of the flow rate[25] |
目前，澳大利亚国立大学的空间等离子体动力与推进教研室已出版专著2部，发表期刊论文224篇，其中Nature期刊论文1篇、Physical Review Letters期刊论文13篇、Applied Physics Letters期刊论文34篇；已授权发明专利8项以上，包括螺旋波双层推进和口袋火箭等。DS4G推进器已完成地面测试并获得了210km/s的出射速度，进入商业应用阶段；HDLT已完成原型机研制和部分地面测试，即将进行空间实际测试；口袋火箭的研究也已经进入原型机设计和模块化集成阶段。
该教研室目前拥有固定人员仅4名，分别是名誉退休教授和澳大利亚科学院院士Rod Boswell、教授和教研室主任Christine Charles、技术主任Peter Alex⁃ ander、行政秘书Uyen Nguyen，其中Peter和Uyen还分别兼职其他教研室的技术和行政工作。该教研室的科研工作主要由在读的3~6名博士生完成，每名学生独立研究一个方向，学制一般3~4年，毕业时人均发表论文7~8篇，均为国际一流期刊且含Applied Physics Letters，个别博士生的论文发表于物理界顶级期刊Physical Review Letters。进行项目专题攻关时，该教研室雇佣博士后和临时技术人员组建项目团队，结题时团队自行解散。
经费来源主要有澳大利亚研究委员会的探索项目（Discovery project）、联接项目（Linkage project）和未来研究员项目（Future fellowships），以及澳大利亚空间研究项目（“澳大利亚等离子体推进器”）、与工业界的合作项目和国际合作项目等。国际合作对象包括欧洲空间局的欧洲空间技术中心（电推进实验室）、欧洲空间局的先进概念团队、法国巴黎综合理工学院的等离子体物理与技术实验室、美国NASA约翰逊空间中心的先进空间推进实验室、德国等离子体物理马克思－普朗克研究所，以及美国加州大学伯克利分校和洛杉矶分校、日本岩手大学和东北大学等高等院校，有项目合作、互派留学生、学术访问和共同举办会议等多种形式，国际交流非常频繁。
6 思考与建议目前，国内从事等离子体推进研究的高校有哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、西北工业大学、大连理工大学、北京理工大学、苏州大学、上海交通大学、国防科技大学、中国科学技术大学、大连海事大学、南京航空航天大学、清华大学、西安交通大学、航天工程大学、电子科技大学和南京理工大学等二十多所，在跟踪研究国外的先进等离子体推进技术基础上有一定的创新，比如哈尔滨工业大学与中国空间技术研究院联合研制的磁聚焦霍尔推进器[26]、西北工业大学研发的无工质推进器[27, 28]、大连理工大学设计的栅极型螺旋波等离子体推进器[29, 30]等，但是在国际上提出全新的等离子体推进概念或原理的高校很少。总结澳大利亚国立大学的等离子体推进研究，有四个方面值得学习和借鉴：
（1）46年坚持不懈地研究等离子体推进及其相关技术，从基础物理、原理实验、工程验证到诊断和仿真工具等方面，研究得非常细致、严谨和系统，发表了224篇高水平SCI期刊文章。
（2）从理论源头创新推进方式，基于极光等离子体中的双层加速机制、双阶段离子抽取和加速过程解耦、电容性射频等离子体微放电，发明了螺旋波双层推进器、双阶段4层栅格离子发动机和口袋火箭三种独具特色的推进装置，在国际上产生重要影响。
（3）以兴趣和效率为主导的小科研模式，不追求项目经费和研究热度，始终关注基础物理问题并由此提出创新概念，将全部精力用于攻克等离子体推进关键原理和技术，最大程度地提高科研效率。
（4）资源共享和开放合作的国际化路线，与国际一流团队建立长期合作，共享实验平台和研究成果，基于同行优质资源降低成本，通过参与国际项目扩大影响，利用国内外媒体和网络宣传提高知名度。
只有长期专注于一个研究方向、从理论源头创新思路以及充分借鉴海内外同行的研究，才有可能在国际上做出独一无二的有重要影响的工作。同时，澳大利亚国立大学的等离子体推进器也面临一些亟需解决的问题，例如螺旋波双层推进器的双层电势差难以进一步提高导致推力过小、DS4G离子发动机的等离子体羽流发散角过大、口袋火箭的阵列式多管集成尚未实现等，国内高校可以在跟踪研究的基础上，创新思路给出解决方案，通过建立合作关系，提高我国在该领域的国际影响力。
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Boswell R W. Plasma Production Using a Standing Helicon Wave[J]. Physics Letters, 1970, 33A(7): 457-458.
(  0) |
| [2] |
Boswell R W, Chen F F. Helicons-the Early Years[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 1997, 25(6): 1229-1244. DOI:10.1109/27.650898
( 0) |
| [3] |
Boswell R W. Very Efficient Plasma Generation by Whistler Waves near the Lower Hybrid Frequency[J]. Plasma Physics and Controlled Fusion, 1984, 26(10): 1147-1162. DOI:10.1088/0741-3335/26/10/001
( 0) |
| [4] |
Charles C. Division of Space Plasma Power and Propulsion[EB/OL]. https://physics.anu.edu.au/cpf/sp3/, 2016.
( 0) |
| [5] |
Boswell R W, Porteous R K. Large Volume, High Density RF Inductively Coupled Plasma[J]. Applied Physics Letters, 1987, 50(17): 1130-1132. DOI:10.1063/1.98257
( 0) |
| [6] |
Charles C, Boswell R. Testing Ground Set for Plasma Jar to the Stars[EB/OL]. http://www.researchcareer.com.au/archived-news/testing-ground-set-for-plasma-jarto-the-stars, 2014.
( 0) |
| [7] |
Mathers N. Wombat Puts Electric Rocket Through its Paces[EB/OL]. http://stories.scienceinpublic.com.au/2014/wombat-puts-electric-rocket-through-its-paces/, 2014.
( 0) |
| [8] |
Charles C, Boswell R. Current-Free Double-Layer Formation in a High-Density Helicon Discharge[J]. Applied Physics Letters, 2003, 82(9): 1356-1358. DOI:10.1063/1.1557319
( 0) |
| [9] |
Lafleur T A. Helicon Wave Propagation in Low Diverging Magnetic Fields[D]. Canberra: Australian National University, 2011. Helicon Wave Propagation in Low Diverging Magnetic Fields
( 0) |
| [10] |
Zhang Y, Charles C, Boswell R. Transport of Ion Beam in an Annular Magnetically Expanding Helicon Double Layer Thruster[J]. Physics of Plasmas, 2014, 21(6): 063511. DOI:10.1063/1.4885350
( 0) |
| [11] |
Zhang Y, Charles C, Boswell R. Characterization of an Annular Helicon Plasma Source Powered by an Outer or Inner RF Antenna[J]. Plasma Sources Science and Technology, 2015, 25(1): 015007.
( 0) |
| [12] |
Zhang Y, Charles C, Boswell R. Measurement of Bi-Directional Ion Acceleration along a Convergent-Divergent Magnetic Nozzle[J]. Applied Physics Letters, 2016, 108(10): 104101. DOI:10.1063/1.4943583
( 0) |
| [13] |
Zhang Y, Charles C, Boswell R. Thermodynamic Study on Plasma Expansion along a Divergent Magnetic Field[J]. Physical Review Letters, 2016, 116(2): 025001. DOI:10.1103/PhysRevLett.116.025001
( 0) |
| [14] |
Charles C. Dual Stage 4 Grid Thruster[EB/OL]. https://physics.anu.edu.au/cpf/sp3/ds4g/, 2016.
( 0) |
| [15] |
Boswell R W. Plasma Micro-Thruster[P]. US: wo/2012/151639, 2012.
( 0) |
| [16] |
Boswell R, Charles C, Alexander P, et al. Plasma Expansion from a Radio Frequency Microdischarge[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2011, 39(11): 2512-2513. DOI:10.1109/TPS.2011.2143434
( 0) |
| [17] |
Greig A, Charles C, Hawkins R, et al. Direct Measurement of Neutral Gas Heating in a Radio-Frequency Electrothermal Plasma Micro-Thruster[J]. Applied Physics Letters, 2013, 103(7): 074101. DOI:10.1063/1.4818657
( 0) |
| [18] |
Greig A, Charles C, Paulin N, et al. Volume and Surface Propellant Heating in an Electrothermal Radio-Frequency Plasma Micro-Thruster[J]. Applied Physics Letters, 2014, 105(5): 054102. DOI:10.1063/1.4892656
( 0) |
| [19] |
Greig A, Charles C, Boswell R. Plume Characteristics of an Electrothermal Plasma Microthruster[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2014, 42(10): 2728-2729. DOI:10.1109/TPS.2014.2321176
( 0) |
| [20] |
Charles C, Bish A, Boswell R W, et al. A Short Review of Experimental and Computational Diagnostics for Radiofrequency Plasma Micro-Thrusters[J]. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 2016, 36: 29-44. DOI:10.1007/s11090-015-9654-5
( 0) |
| [21] |
Charles C. Plasmas for Spacecraft Propulsion[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2009, 42: 163001. DOI:10.1088/0022-3727/42/16/163001
( 0) |
| [22] |
Corr C S, Boswell R W. Nonlinear Instability Dynamics in a High-Density, High-Beta Plasma[J]. Physics of Plasmas, 2009, 16: 022308. DOI:10.1063/1.3074790
( 0) |
| [23] |
Bramanti C, Fearn D G. The Design and Operation of Beam Diagnostics for the Dual Stage 4-Grid Ion Thruster [C]. Florence: 30th International Electric Propulsion Conference, 2007.
( 0) |
| [24] |
Charles C, Boswell R W, Bish A. Low-Weight Fixed Ceramic Capacitor Impedance Matching System for an Electrothermal Plasma Microthruster[J]. Journal of Propulsion and Power, 2014, 30(4): 1117-1121. DOI:10.2514/1.B35119
( 0) |
| [25] |
West M D, Charles C, Boswell R W. A High Sensitivity Momentum Flux Measuring Instrument for Plasma Thruster Exhausts and Diffusive Plasmas[J]. Review of Scientific Instruments, 2009, 80(5): 053509. DOI:10.1063/1.3142477
( 0) |
| [26] |
丁永杰, 扈延林, 颜世林, 等. 聚焦磁场及发散磁场对霍尔推力器壁面侵蚀的影响研究[J]. 推进技术, 2015, 36(5): 795-800. (DING Yong-jie, HU Yanlin, YAN Shi-lin, et al. Effects of Focusing and Diverging Magnetic Field Topology on Hall Thruster Channel Wall Erosion[J]. Journal of Propulsion Technology, 2015, 36(5): 795-800.)
( 0) |
| [27] | |
| [28] | |
| [29] |
夏广庆, 王冬雪, 薛伟华. 螺旋波等离子体推进研究进展[J]. 推进技术, 2011, 32(6): 857-863. (XIA Guang-qing, WANG Dong-xue, XUE Wei-hua. Progress on the Research of Helicon Plasma Thruster[J]. Journal of Propulsion Technology, 2011, 32(6): 857-863.)
( 0) |
| [30] |
夏广庆, 徐宗琦, 郝剑昆, 等. 双阶栅极螺旋波离子推进装置[P]. 中国: ZL201410597251.2, 2014.
( 0) |